電機(jī)效率被誰(shuí)“偷”走了？如何將高效節(jié)能的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)發(fā)揮到極致

工程苗小兵

先楫資深FAE工程師

電力電子與電力傳動(dòng)專(zhuān)業(yè)碩士研究生，一個(gè)從事了20多年的功率控制的工程小兵，有多年的電機(jī)驅(qū)動(dòng)和電源控制經(jīng)驗(yàn)，專(zhuān)注電力電子控制方向。

概 述

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，在工業(yè)、交通運(yùn)輸、建筑等各領(lǐng)域中的用電需求不斷增加，而這些領(lǐng)域中的用電設(shè)備又主要是各種電機(jī)，在目前我國(guó)的電力系統(tǒng)中，電機(jī)的總裝機(jī)容量已經(jīng)超過(guò)了6億千瓦，為了促進(jìn)節(jié)能減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，2006年制定了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB18613-2006，將中小型電動(dòng)機(jī)的能效等級(jí)劃分為1級(jí)（超高效電機(jī)），2級(jí)（高效電機(jī)）、3級(jí)（標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)），3個(gè)能耗標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)家能源標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施是為了進(jìn)一步推動(dòng)高效產(chǎn)品的發(fā)展。針對(duì)國(guó)家節(jié)能要求，對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)也提出了更高的需求，驅(qū)動(dòng)效率低不僅增加系統(tǒng)能耗，而且加大散熱成本，甚至增加體積和重量從而會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品品質(zhì)降低。

電流帶寬

電機(jī)控制器損耗，主要包含功率開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)（開(kāi)通和關(guān)斷）損耗。導(dǎo)通損耗與電機(jī)功率和開(kāi)關(guān)器件選型有關(guān)，降低導(dǎo)通損耗只能選用更高性能的功率開(kāi)關(guān)管，勢(shì)必大幅增加成本，限制開(kāi)關(guān)頻率是在不提高系統(tǒng)成本的前提下提高效率的最優(yōu)方案。

降低開(kāi)關(guān)頻率勢(shì)必影響到電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的另一個(gè)體現(xiàn)了電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)態(tài)性能的關(guān)鍵指標(biāo)：帶寬。伺服控制系統(tǒng)的帶寬表示系統(tǒng)對(duì)輸入命令（位置、速度或轉(zhuǎn)矩）變化的響應(yīng)速度。

系統(tǒng)中的每個(gè)控制環(huán)路都有自己的帶寬，在級(jí)聯(lián)控制環(huán)路中，最內(nèi)層環(huán)路（電流控制）應(yīng)該具有最高的帶寬。下一個(gè)環(huán)路（速度控制）會(huì)有更低的帶寬，在某些應(yīng)用中，速度環(huán)路帶寬可以比當(dāng)前環(huán)路帶寬低一個(gè)數(shù)量級(jí)。最外層環(huán)（位置控制）的帶寬可以比速度環(huán)低一個(gè)數(shù)量級(jí)。

最優(yōu)策略

目前通用的220V電壓伺服的開(kāi)關(guān)頻率大約是8-16kHz，其中大部分工作在8kHz。在算法上，我們希望能在不提高開(kāi)關(guān)頻率的前提下，盡可能提高電流帶寬。根據(jù)奈奎斯特定理，理論上的電流帶寬最高為開(kāi)關(guān)頻率的1/2。

提高電流帶寬和優(yōu)化效率產(chǎn)生了矛盾。

目前最優(yōu)的辦法是通過(guò)中心對(duì)齊PWM，在前半波和后半波分別修正占空比，實(shí)現(xiàn)單載波調(diào)節(jié)兩次占空比從而提高電流帶寬。通過(guò)hpm6200的高算力，可在1us內(nèi)完成整個(gè)電流環(huán)計(jì)算，在電流采樣結(jié)束后可以立即更新PWM比較器寄存器，實(shí)現(xiàn)計(jì)算即更新的高效控制效果。

如何實(shí)現(xiàn)

？

多電機(jī)同步

HPM6280有豐富的外設(shè)資源，最多可同時(shí)支持4臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制。下圖展示了通過(guò)SYNT定時(shí)器實(shí)現(xiàn)了4電機(jī)同步，每個(gè)電機(jī)的PWM相差90°相位，功率管開(kāi)關(guān)時(shí)刻均勻分布在一個(gè)周期。

SYNT定時(shí)器有四個(gè)同步比較器，輸出4個(gè)同步信號(hào)經(jīng)四個(gè)電機(jī)單元的互聯(lián)管理器分別送到各自PWM模塊的同步輸入端。

PWM中心對(duì)齊

PWM 控制器的支持28 (24 +4) 位分辨率計(jì)數(shù)器，支持向上計(jì)數(shù)模式。多達(dá) 24 個(gè)比較器，支持用作輸出比較，支持為每個(gè)輸出通道靈活地分配數(shù)目不等的比較器，靈活控制輸出信號(hào)，生成例如邊沿對(duì)齊 PWM、左右不對(duì)稱(chēng)的中央對(duì)齊 PWM 以及更復(fù)雜的輸出信號(hào)。

下圖是在通道 0（CH0REF）和通道 1（CH1REF）輸出上生成中心對(duì)齊相移 PWM 的例子。

下圖是中心對(duì)稱(chēng)函數(shù)和對(duì)應(yīng)配置。

PWM雙更新觸發(fā)

影子寄存器控制是在 CPU訪問(wèn)寄存器的時(shí)候，實(shí)質(zhì)上改變的是它的影子寄存器，新值并不馬上生效。只有在指定的時(shí)刻，才把影子寄存器的值更新到寄存器影子寄存器。這可以確保 PWM 在時(shí)序控制時(shí)確保動(dòng)作一致，防止在非正常狀態(tài)下數(shù)據(jù)更新，導(dǎo)致輸出產(chǎn)生毛刺、波形異常。

比較器的影子寄存器更新有4種選擇：軟件把 SHCR [SHLK] 位置 1 生效，實(shí)時(shí)生效，定時(shí)器的某一個(gè) CMP 發(fā)生匹配后生效，影子寄存器重載觸發(fā)輸入 SHRLDSYNCI 生效。

PWM雙更新選用兩個(gè)比較器配置成中心對(duì)齊模式，一組PWM輸出占用兩個(gè)比較器，在PWM周期的前半波和后半波分別動(dòng)作。其中，前半波的影子比較器更新條件為重載觸發(fā)輸入 SHRLDSYNCI，后半波影子比較器更新條件為 CMP 發(fā)生匹配后生效。

將匹配比較器生效把選中的比較器 的值設(shè)為與 周期/2 ，達(dá)到半個(gè) PWM 周期后更新影子寄存器的目的。中心對(duì)齊模式種兩個(gè)比較器在周期/2 、周期分別更新。

ADC雙更新

ADC16支持的轉(zhuǎn)換模式包括：支持讀取轉(zhuǎn)換模式、支持周期轉(zhuǎn)換模式、支持序列轉(zhuǎn)換模式、支持搶占轉(zhuǎn)換模式。其中搶占轉(zhuǎn)換模式支持12 組搶占轉(zhuǎn)換序列，觸發(fā)信號(hào)分別來(lái)自于芯片的片上互聯(lián)模塊，共 12 個(gè)搶占觸發(fā)源，適用于多電機(jī)同步觸發(fā)。

PWM中通道 8 參考輸出中通道 15 參考可以用于觸發(fā)ADC轉(zhuǎn)換。ADC轉(zhuǎn)換會(huì)受到功率開(kāi)關(guān)時(shí)的開(kāi)關(guān)噪聲干擾，建議ADC轉(zhuǎn)換時(shí)選用PWM中心對(duì)齊的周期和周期/2處。

多電機(jī)同步觸發(fā)ADC時(shí)要避免多電機(jī)同一時(shí)刻觸發(fā)同一個(gè)AD轉(zhuǎn)換導(dǎo)致轉(zhuǎn)換失敗。

小 結(jié)

綜上所述，我們可以得出以下結(jié)論：

HPM6200具備4個(gè)PWM模塊可以實(shí)現(xiàn)1拖4電機(jī)控制。

HPM6200具備高速運(yùn)算能力，通過(guò)PWM雙閉環(huán)控制可以使電流環(huán)帶寬達(dá)到載波頻率/2，在不提高開(kāi)關(guān)頻率的前提下提高帶寬，可以實(shí)現(xiàn)<1us的電流環(huán)控制，達(dá)到計(jì)算即更新的高效控制效果。

ADC雙采樣配合PWM雙更新，能夠讓先楫HPM6200系列產(chǎn)品在伺服系統(tǒng)中更加明顯地發(fā)揮高效節(jié)能應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。